LED結(jié)溫（Tj）溫度測量概述

曹霞

摘 要：本文介紹了一種LED結(jié)溫（Tj）溫度測量的一些基礎(chǔ)知識和一種簡單的測量方法。通過該方法測量得到的數(shù)據(jù)，對汽車燈具中LED散熱設(shè)計有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：LED（結(jié)溫） LED的熱電阻 LED的工作功率

中圖分類號：TN312.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0241-01

因LED具有壽命長、耐候性能好等優(yōu)點，近年來在汽車照明領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。雖然LED具有很多優(yōu)點，但是其作為光電器件，在工作過程中卻只有約15%～25的電能可以轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能基本都會被轉(zhuǎn)化成熱能。因此，如果采用LED作為光源運用于車燈照明中時，LED的結(jié)溫（Tj）測量就成為了散熱設(shè)計的關(guān)鍵點。

1 LED結(jié)溫（Tj）的含義：

LED的結(jié)溫（Tj）簡單來講，就是LED本身的溫升極限，英文含義為：Temperature Junction。LED的基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體的PN結(jié)，由于LED的芯片均具有很小的尺寸。因此一般把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。LED的結(jié)溫高低直接影響到其發(fā)光效率，器件壽命，可靠性，發(fā)射波長等，保持LED結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)，是LED能否發(fā)揮出應(yīng)有機能的關(guān)鍵一環(huán)。

2 影響LED結(jié)溫（Tj）上升的主要因素：

2.1 發(fā)光效率是導(dǎo)致LED結(jié)溫升高的主要原因

以目前的LED生產(chǎn)水平，雖然通過采用先進的生產(chǎn)材料和器件加工工藝，已經(jīng)盡可能的將LED絕大多數(shù)的輸入電能轉(zhuǎn)化成了光輻射能；但是由于LED的芯片材質(zhì)往往會比周圍的介質(zhì)相比具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的大部分光子無法順利的溢出，而在芯片與介質(zhì)面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，導(dǎo)致結(jié)溫升高。

2.2 器件不良的電極結(jié)構(gòu)也是造成結(jié)溫升高的原因之一

結(jié)溫區(qū)域的材料、導(dǎo)電銀膠等均存在著一定的電阻值，這些電阻相互疊加，構(gòu)成了LED器件的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流通過PN結(jié)時，同時也會流經(jīng)這些產(chǎn)生電阻的區(qū)域，從而產(chǎn)生熱，導(dǎo)致芯片的溫度或結(jié)溫上升。

2.3 LED的散熱能力是決定結(jié)溫工地的另一個關(guān)鍵因素

由于環(huán)氧樹脂是一種低導(dǎo)熱材料，因此，PN結(jié)產(chǎn)生的熱量很難通過透明的環(huán)氧樹脂向上散發(fā)到環(huán)境中去。其大部分熱量只能通過襯底、銀膠、殼體、環(huán)氧粘結(jié)層、PCB板向下發(fā)散。簡言之其散熱路徑為：芯片→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。

3 LED結(jié)溫測量

綜上所述，我們可以將LED工作時的環(huán)境溫度、LED工作時散發(fā)到PCB板上的溫度、LED的熱電阻以及LED的工作功率作為結(jié)溫測量的必要條件。

3.1 LED工作時的環(huán)境溫度

以汽車燈具所涉及的工作環(huán)境為例，汽車燈具安裝的位置和LED所在PCB板回路工作電壓是LED工作環(huán)境溫度的主要影響因素。比較常見的環(huán)境溫度有：PCB板回路電壓為15 V時，對應(yīng)的環(huán)境溫度為80 ℃；16 V時，對應(yīng)的環(huán)境溫度為50 ℃；18 V時，對應(yīng)的環(huán)境溫度為對應(yīng)60 ℃。在上述幾個條件下，讓LED工作1個小時，來測試LED結(jié)溫。

3.2 LED工作時散發(fā)到PCB板上的溫度

LED在工作時散發(fā)到PCB板上的溫度，并不是PN的溫度。而是在上文中提到的LED芯片通過散熱墊，散發(fā)到印制板敷銅層，銅層傳導(dǎo)到印制板上的溫度。在實際進行測試時，通常會采用熱紅外呈像儀、電學(xué)參數(shù)法、光譜法、光熱阻掃描法及光功率法等方法，這些方法基于不同的測量原理，可以測量半導(dǎo)體器件表面的溫度分布或者某種意義上的平均溫度，但是這些方法都需要專用的測試設(shè)備或者復(fù)雜的測試系統(tǒng)。我們可以采用在LED周圍的銅制焊盤上的焊錫處焊接CC線的方法，將被測對象放置于LED工作時所對應(yīng)的環(huán)境溫度里，使用PCB板的回路電壓，點亮LED1個小時，收集PCBPCB板上的溫度（如：60 ℃，18 V點亮LED等）。這個方法即不需要復(fù)雜的測試設(shè)備操作也十分簡單，收集到數(shù)據(jù)也具有一定的信賴性。

3.3 LED的熱電阻

LED的熱電阻值（℃/W）在進行結(jié)溫測量時，通常可以通過查詢LED規(guī)格書直接得到，是不需要測量的。熱電阻是導(dǎo)熱介質(zhì)兩端的溫度差與通過熱流功率的比，是LED在工作時PN結(jié)處產(chǎn)生的熱，熱電阻會導(dǎo)致芯片的溫度升高。它是我們在進行結(jié)溫測量是的關(guān)鍵參數(shù)。因此，我們在實施結(jié)溫測量之前必須提前查詢LED的熱電阻值，以用于最終的計算。

4 LED結(jié)溫測量的實例

已知LED的工作環(huán)境為50 ℃，點亮電壓為16 V時，測量LED的結(jié)溫具體方法如下。

4.1 測量16V點亮LED電流值

通過LED規(guī)格值，查詢熱電阻值（℃/W）和正向電壓值（VF）。假設(shè)得到以下數(shù)據(jù)：熱電阻=10 W，VF（正向電壓）=2.8 V。記錄使用16 V點亮LED時所對應(yīng)的電流值，假設(shè)為：170 mA。

4.2 測量LED散發(fā)到PCB板上的溫度

將CC線焊接到金線搭載的電極附近的PCB板上，盡可能的焊接到有焊錫的位置上。將被測LED按照16 V點亮后，放置到預(yù)先設(shè)定為50 ℃的溫度箱內(nèi)，用溫度記錄儀記錄下溫度變化曲線。測量1個小時后，記錄下飽和溫度。假設(shè)測量得PCB板溫度=60 ℃

4.3 LED的工作功率

使用第一步通過查詢得到的VF值乘以16V點亮LED時所對應(yīng)的電流值，得到一個LED的工作功率。則：VF=2.8 V，16 V點亮LED的電流值=0.17 A。一個LED的工作功率=2.8 V×0.17 A=0.476 W

4.4 計算出LED結(jié)溫（Tj）溫度

通過以上計算，已經(jīng)得到的參數(shù)有：熱電阻=10 ℃/W，PCB板溫度=60 ℃，一個LED功率=0.476W將以上參數(shù)代入計算公式進行計算：LED結(jié)溫（Tj）溫度=PCB板溫度+電阻×一個LED功率則：LED結(jié)溫（Tj）溫度=60 ℃+10 ℃/W×0.476 W=64.76 ℃

5 結(jié)語

綜上所述，我們在了解了LED結(jié)溫（Tj）的一些基本知識的基礎(chǔ)上，可以使用溫度箱、溫度記錄儀、CC線等簡單的設(shè)備就可以測量得到一個LED結(jié)溫溫度。當(dāng)然該方法可能會存在著一些誤差。如果有條件的話，也可以采用一些精度更高的專業(yè)設(shè)備進行測量。但是，對于LED的散熱設(shè)計來講，通過該方法測量得到數(shù)據(jù)還是具有一定的參考價值的。